Energieeffizienz von Mobilfunknetzen: Die Bedeutung von Nutzungsverhalten und transferierten Datenvolumina

Mobilfunknetze müssen sich immer wieder veränderten Nutzungsbedürfnissen anpassen, da sie mit knappen Frequenzressourcen arbeiten. Im Vordergrund steht dabei primär das ständig steigende Datenvolumen, dann aber auch die sich ändernden Qualitätsanforderungen, insbesondere in Bezug auf Signallaufzeiten und Zuverlässigkeit der Übertragung. Diese werden wesentlich in den Funkzugangsnetzen (RAN) bestimmt, die ca. 50 % des Energieverbrauchs der Mobilfunknetze benötigen. Daher konzentriert sich diese Studie auf dieses Netzsegment. Die Anpassung der Mobilfunknetze erfolgt einerseits durch den Einsatz neuer Funkschnittstellen, neuer und leistungsfähigerer Codierungsverfahren, neuer Antennentechniken und zusätzlicher neuer Frequenzbänder in höheren Frequenzlagen. Höhere Frequenzlagen (Trägerfrequenzen) haben jedoch andere, i.d.R. beschränktere Ausbreitungscharakteristika bzgl. Reichweite, Störungsempfindlichkeit und Umgehung/Penetration von Sichtbehinderungen, wie z. B. Geländestrukturen, Bäume oder Gebäude. Die neuen Technologien und die neuen Frequenzressourcen bieten erhebliche Bandbreitenverbesserungen und übertragen den Verkehr effizienter. Sie bieten durch die neuen Codierungen und Antennentechniken deutlich mehr Kapazität zur Datenübertragung, aber natürlich haben sie auch einen anderen Energiebedarf. Ein Kernproblem in Mobilfunknetzen ist die Grundlast im RAN, d.h. die permanente Sende- und Empfangsbereitschaft, wegen der das RAN in Niederlastzeiten nicht vollständig abgeschaltet werden kann. Hier gab es mit der 5G Funkschnittstelle deutliche Fortschritte. Die Studie beschreibt auf der Basis von Erfahrungen aus der Modellierung des Energieverbrauches in bestehenden Mobilfunknetzen die Zusammenhänge von Nutzerbedarfsveränderungen und Energieverbrauch, unter Einbeziehung neuer, energieeffizienterer Technologien und neuer Frequenzen, bis hin zur Wirkung von Funkzellverdichtungen. Dabei wird gezeigt, dass das Datenvolumen nur ein eingeschränkt geeigneter Proxy für die Prognose des Energieverbrauchs von Funkzugangsnetzen ist. Im Ergebnis bleibt die Perspektive, dass der Energieverbrauch der Mobilfunknetze angesichts der stark wachsenden Nachfrage und trotz einer deutlichen Steigerung der Energieeffizienz der Netztechnologien, sichtbar ansteigen wird. Dem kann weiterhin begegnet werden, indem ergänzend zu den Mobilfunknetzen, insbesondere in Gebäuden, das Zusammenspiel von Smartphones durch Mobile-Offloading über Wi-Fi in Glasfaserfestnetze weiter ausgebaut wird und so die Mobilfunknetze entlastet werden.